CN113236345A - 一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法 - Google Patents

一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法 Download PDF

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CN113236345A CN202110671334.1A CN202110671334A CN113236345A CN 113236345 A CN113236345 A CN 113236345A CN 202110671334 A CN202110671334 A CN 202110671334A CN 113236345 A CN113236345 A CN 113236345A
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Abstract

本发明属于钻孔裂隙可视化技术领域，公开了一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，首先对研究区域的钻孔基本图并进行统一坐标化处理，通过对钻场的基本信息离散化得到包括空间坐标信息和非空间信息的空间数据体，并对采集的实测数据进行标准化处理；将空间数据体中的空间坐标信息、实测数据按空间位置拆分，并进行网格划分；对裂隙数据进行判断后，按照网格划分进行数据填充和赋值并进行拼接，对实测数据进行修正得到最终裂隙模型实现可视化，根据所得对裂隙的具体信息进行计算，得到裂隙的长度、宽度、倾角、占比率等信息。本发明用于实现不同布置钻孔下不同裂隙的可视化处理，克服了裂隙发育程度不清楚、分布位置不详的问题。

Description

一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法
技术领域
本发明属于钻孔裂隙可视化技术领域，具体涉及一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法。
背景技术
瓦斯抽采是治理和利用煤矿瓦斯的根本措施和主要途径，但在大多数情况下瓦斯抽采率普遍较低，究其原因主要为孔壁稳定性差，孔周裂隙的发育导致钻孔周边裂隙漏气，而封孔段内部裂隙的发育往往会促进瓦斯的抽采。
早在70年代初对于三维地质体建模技术的研究开始在国外崭露头角。在利用多源数据构建三维模型上，学者们通过对多源数据特性的挖掘，如有的学者利用潜在数据场，地震图像与面数据，钻孔数据并结合由地质专家解译获取的平面地质数据等不同数据源构建三维模型；有的学者考虑整体的水文地质环境，整合钻孔数据、地质剖面数据以及电阻率探测数据构建三维模型；还有一些学者利用传统测井数据并结合岩心数据以及影像数据构建三维模型，为解决面向数字矿山建设中，包括统一数据模型结构、统一坐标系统和处理模型接边不一致三个问题在内的建模数据一体化问题，提出高分辨率矿山三维地质模型的构建方法。
以上研究已经研究了钻孔孔周裂隙的发育规律和三维地质体的建模可视化，但是裂隙在岩体中的分布情况、裂隙可视化却没有深入的研究，尤其是裂隙的发育程度并没有得到统一的结论，裂隙在岩体中的不同的分布状态对煤岩体的力学性能有着不同的会影响，对于抽采的质量有着重要的影响。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，以克服裂隙发育程度不清楚、分布位置不详的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，包括以下步骤：
S1、通过研究区域的地层综合柱状图，完善研究区域的地层信息，建立研究区域地层图；
S2、通过研究区域工作面的基本数据信息、研究区域的钻孔布置和钻孔工程信息，得到钻场的基本信息；
S3、根据研究区域地层图和钻场的基本信息确定研究区域的几何尺寸和其空间位置信息，得到研究区域的钻孔基本图；
S4、对得到的钻孔基本图进行统一坐标化处理，其相对坐标以钻孔圆心为原点建立；
S5、将钻孔基本图中的钻场的基本信息沿三维坐标系中的一个坐标轴进行离散化得到由离散点组成的包括空间坐标信息和非空间信息的空间数据体，并对采集的实测数据进行标准化处理；
S6、通过步骤S5空间坐标信息中的钻孔工程信息中包含的钻孔所经过地层信息所描述的地层在钻孔纵向上的分布，确定研究区域内地层分布及其之间的空间关系；
S7、将所得空间数据体中的空间坐标信息、实测数据按空间位置沿离散化时所选的坐标轴进行拆分，并对拆分的每个单元体进行编号，采用ansys中的四边形网格划分规则，对每个单元体进行网格划分；
对离散化时所选的坐标轴刨面的实测数据制定统一的标准进行预处理剔除异常数据；
S8、将实测数据中无数据为空点的地方，识别为裂隙，然后对为空点处进行标记，并对钻孔周围的贯通裂隙进行判定；
S9、将空间数据体中的空间坐标信息、实测数据按步骤S7中网格划分的情况，进行一对一的数据填充和赋值，得到不同的赋值之后的截面，对不同的赋值之后的截面，按照离散化时所选的坐标轴方向进行拼接；
S10、将实测数据沿z轴刨面的数据、沿y轴刨面的数据与沿x轴刨面的数据进行做差比对，当差为0时，即此处数据无问题，当差不为0时，采用线性拟合的方式和形态学算法对实测数据进行修正得到最终裂隙模型，对最终裂隙模型中的不同的赋值通过不同颜色表示，实现可视化；
S11、在最终裂隙模型中，计算的裂隙的裂隙宽度、裂隙长度、裂隙的最大扩展半径、裂隙倾角、裂隙的面积占比率、裂隙的体积占比率；
S12、对钻孔孔壁的完整度、裂隙的丰度进行评价。
作为限定，步骤S1中，研究区域的地层信息包括地层的几何信息和属性信息；
几何信息包括边界、钻孔孔壁、钻孔倾角、钻孔长度；所述边界为研究区域的最大范围；
属性信息包括地层岩性、厚度、颜色。
作为第二种限定，步骤S2中，研究区域工作面的基本数据信息包括生产的阶段，年限，井下压力信息；
钻孔工程信息包括施工时所得到地面高程、钻孔编号、钻孔深度、钻孔长度、钻孔直径、钻孔倾角、钻孔所经过地层信息。
作为第三种限定，步骤S5中，所述实测数据是通过微震监测、超声波或钻孔窥视采集得到的数据；
对实测数据进行标准化处理的过程为：将实测数据进行统一坐标化处理，将地理坐标转化为直角坐标。
作为第四种限定，步骤S8中，在实测数据中某一空点周围一定范围内无空点时，则断定这一空点的数据为正常空隙，而非裂隙；
钻孔周围的贯通裂隙判定的规则为：
Figure BDA0003119405070000031
其中，k为阀值系数，aij表示判定点的位置坐标，ai-1,j表示判定点周围坐标小于此点坐标的最近点坐标，ai+1,j表示判定点周围坐标大于此点坐标的最近点坐标。
作为第五种限定，步骤S9中，赋值的规则由赋值函数f(y)表示：
Figure BDA0003119405070000032
其中：当f(y)＝0时表示此处有裂隙，无稳定结构；当f(y)＝1时，表示此处为钻孔孔壁完整结构。
作为第六种限定，步骤S11中，裂隙宽度沿x轴、y轴、z轴三个方向的计算公式为：
dx＝|(xi,yi,zi)-(xi+1,yi,zi)|；
dy＝|(xi,yi,zi)-(xi,yi+1,zi)|；
dz＝|(xi,yi,zi)-(xi,yi,zi+1)|；
其中：(xi,yi,zi)、(xi+1,yi,zi)、(xi,yi+1,zi)、(xi,yi,zi+1)表示裂隙边界的位置坐标；
裂隙的最大扩展半径的计算公式为：
Figure BDA0003119405070000041
其中，(xj,yi,zj)表示y坐标为yi时裂隙数据最边界坐标，(0,yi,0)表示y坐标为yi时的坐标中心坐标；
裂隙长度的计算公式为：
L＝||(x1,y1,z1)-(x2,y2,z2)||；
其中，(x1,y1,z1)表示裂隙数据中坐标最小点坐标，(x2,y2,z2)表示裂隙数据中坐标最大点坐标；
裂隙的面积占比率计算公式为：
Figure BDA0003119405070000042
其中，S裂隙表示裂隙在钻孔孔壁上所占面积，S表示钻孔孔壁的截面面积；
裂隙的体积占比率计算公式为：
Figure BDA0003119405070000043
其中，V裂隙表示裂隙所占体积，V表示研究区域的总体积。
作为第七种限定，步骤S11中，计算裂隙倾角时，首先对整个裂隙平面进行拟合，找到拟合程度最高的两个平面，然后再按两平面的夹角公式进行计算，得到裂隙倾角。
作为第八种限定，步骤S12中，
钻孔孔壁的完整度通过岩体完整性指数RMDI进行评价：
Figure BDA0003119405070000051
其中，f(y)表示赋值函数；
当RMDI≥RMDImax，钻孔孔壁不完整；
当
Figure BDA0003119405070000052
钻孔孔壁较差；
当
Figure BDA0003119405070000053
钻孔孔壁中等；
当
Figure BDA0003119405070000054
钻孔孔壁良好
当
Figure BDA0003119405070000055
钻孔孔壁完整；
其中，RMDImax表示岩体完整性指数的最大值；
裂隙的丰度的评价指标为：
Figure BDA0003119405070000056
其中，P表示研究区域裂隙的丰度。
本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
(1)本发明对对孔周的裂隙进行了可视化处理，明确了裂隙的发育范围和状态；
(2)本发明对研究区域进行了坐标的转化，使其图像等信息更容易被工作人员所接受，且更符合对三维空间的认知；
(3)本发明对岩体内部的裂隙进行计算和展示，对于后续抽采等工作的进行打好基础。
本发明属于钻孔裂隙可视化技术领域，用于实现不同布置钻孔下不同裂隙的可视化处理。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程框图；
图2为本发明实施例的研究区域地层图；
图3为本发明实施例的钻孔基本图；
图4为本发明实施例的钻孔基本图统一坐标化示意图；
图5为本发明实施例的空间数据体的空间坐标信息、实测数据拆分示意图；
图6为本发明实施例的单元体进行网格划分的示意图；
图7为本发明实施例的沿y轴方向进行拼接的示意图；
图8为本发明实施例的裂隙宽度沿x轴、y轴、z轴三个方向的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本领域的技术人员应当理解，本发明并不限于以下实施例，任何在本发明具体实施例基础上做出的改进和变化都在本发明权利要求保护的范围之内。
实施例一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法
如图1所示，本实施例包括以下步骤：
S1、通过研究区域的地层综合柱状图，完善研究区域的地层信息，建立研究区域地层图，如图2所示；
本步骤中，研究区域的地层信息包括地层的几何信息和属性信息；
几何信息包括边界、钻孔孔壁、钻孔倾角、钻孔长度；所述边界为研究区域的最大范围；
属性信息包括地层岩性、厚度、颜色；
S2、通过研究区域工作面的基本数据信息、研究区域的钻孔布置和钻孔工程信息，得到钻场的基本信息；
本步骤中，研究区域工作面的基本数据信息包括生产的阶段，年限，井下压力信息；
钻孔工程信息包括施工时所得到地面高程、钻孔编号、钻孔深度、钻孔长度、钻孔直径、钻孔倾角、钻孔所经过地层信息；
S3、根据研究区域地层图和钻场的基本信息确定研究区域的几何尺寸和其空间位置等信息，得到研究区域的钻孔基本图，如图3所示；
S4、对得到的钻孔基本图进行统一坐标化处理，其相对坐标以钻孔圆心为原点建立，如图4所示；其中本实施例是针对单个钻孔进行的，对于每个钻孔都以目标钻孔的圆心建坐标系，若要形成多个钻孔的，只需要将各钻孔的坐标进行统一化即可，统一化的坐标一般选最中间钻孔的圆心为坐标系原点；
S5、将钻孔基本图中的钻场的基本信息沿y轴进行离散化得到由离散点组成的包括空间坐标信息和非空间信息的空间数据体，并对采集的实测数据进行标准化处理；
其中，非空间信息为不能通过空间坐标进行表征的数据，如岩性等；
实测数据是通过微震监测、超声波或钻孔窥视采集得到的数据；对实测数据进行标准化处理的过程为：将实测数据进行统一坐标化处理，将地理坐标转化为直角坐标；
S6、通过步骤S5空间坐标信息中的钻孔工程信息中包含的钻孔所经过地层信息所描述的地层在钻孔纵向上的分布，确定研究区域内地层分布及其之间的空间关系；
S7、将所得空间数据体中的空间坐标信息、实测数据按空间位置沿y轴进行拆分，如图5所示以沿y轴方向进行拆分，并对拆分的每个单元体进行编号，采用ansys中的四边形网格划分规则，对每个单元体进行网格划分，如图6所示；
对y轴刨面的实测数据制定统一的标准进行预处理剔除异常数据；
本步骤中，采用ansys中的四边形网格划分规则(拆分的数目以研究情况和范围合理选择)，且默认为是以位移为边界条件，越靠近钻孔孔周划分的单元格越密；
S8、将实测数据中无数据为空点的地方，识别为裂隙，然后对为空点处进行标记，并对钻孔周围的贯通裂隙进行判定；
本步骤中，在实测数据中某一空点周围一定范围内无空点时，则断定这一空点的数据为正常空隙，而非裂隙；
钻孔周围的贯通裂隙判定的规则为：
Figure BDA0003119405070000081
其中，k为阀值系数，可以根据具体需求设定不同的阀值系数k来控制空点周围的范围，aij表示判定点的位置坐标，ai-1,j表示判定点周围坐标小于此点坐标的最近点坐标，ai+1,j表示判定点周围坐标大于此点坐标的最近点坐标；
S9、将空间数据体中的空间坐标信息、实测数据按步骤S7中网格划分的情况，进行一对一的数据填充和赋值，得到不同的赋值之后的截面，对不同的赋值之后的截面，按照y轴方向进行拼接；如图7所示，将不同的截面按编号顺序进行拼接，然后进行数据的线性连接，可准确的将裂隙在空间中的几何信息进行表示；
本步骤中，赋值的规则由赋值函数f(y)表示：
Figure BDA0003119405070000082
其中：当f(y)＝0时表示此处有裂隙，无稳定结构；当f(y)＝1时，表示此处为钻孔孔壁完整结构；
S10、将实测数据沿z轴刨面的数据、沿y轴刨面的数据与沿x轴刨面的数据进行做差比对，当差为0时，即此处数据无问题，当差不为0时，采用线性拟合的方式和形态学算法对实测数据进行修正得到最终裂隙模型，对最终裂隙模型中的不同的赋值通过不同颜色表示，实现可视化；
S11、在最终裂隙模型中，计算的裂隙的裂隙宽度、裂隙长度、裂隙的最大扩展半径、裂隙倾角、裂隙的面积占比率、裂隙的体积占比率；
本步骤中，裂隙宽度沿x轴、y轴、z轴三个方向的计算公式为：
dx＝|(xi,yi,zi)-(xi+1,yi,zi)|；
dy＝|(xi,yi,zi)-(xi,yi+1,zi)|；
dz＝|(xi,yi,zi)-(xi,yi,zi+1)|；
其中：(xi,yi,zi)、(xi+1,yi,zi)、(xi,yi+1,zi)、(xi,yi,zi+1)表示裂隙边界的位置坐标；如图8所示，沿x轴得到的裂隙宽度为裂隙纵向宽度，沿y轴得到的裂隙宽度为裂隙纵向长度，沿z轴得到的裂隙宽度为裂隙跨度；
裂隙的最大扩展半径的计算公式为：
Figure BDA0003119405070000091
其中，(xj,yi,zj)表示y坐标为yi时裂隙数据最边界坐标，(0,yi,0)表示y坐标为yi时的坐标中心坐标；
裂隙长度的计算公式为：
L＝||(x1,y1,z1)-(x2,y2,z2)||；
其中，(x1,y1,z1)表示裂隙数据中坐标最小点坐标，(x2,y2,z2)表示裂隙数据中坐标最大点坐标；
裂隙的面积占比率计算公式为：
Figure BDA0003119405070000092
其中，S裂隙表示裂隙在钻孔孔壁上所占面积，S表示钻孔孔壁的截面面积；
裂隙的体积占比率计算公式为：
Figure BDA0003119405070000093
其中，V裂隙表示裂隙所占体积，V表示研究区域的总体积；
本步骤中，计算裂隙倾角时，首先对整个裂隙平面进行拟合，找到拟合程度最高的两个平面，然后再按两平面的夹角公式进行计算，得到裂隙倾角；
S12、对钻孔孔壁的完整度、裂隙的丰度进行评价；
本步骤中，钻孔孔壁的完整度通过岩体完整性指数RMDI进行评价：
Figure BDA0003119405070000101
其中，f(y)表示赋值函数；
钻孔孔壁的完整度评价为：
当RMDI≥RMDImax，钻孔孔壁不完整；
当
Figure BDA0003119405070000102
钻孔孔壁较差；
当
Figure BDA0003119405070000103
钻孔孔壁中等；
当
Figure BDA0003119405070000104
钻孔孔壁良好
当
Figure BDA0003119405070000105
钻孔孔壁完整；
其中，RMDImax表示岩体完整性指数的最大值；
裂隙的丰度的评价指标为：
Figure BDA0003119405070000106
其中，P表示研究区域裂隙的丰度，当P的值越大，则说明该区域内裂隙的发育较充分，即裂隙较密集(占比大)；反之，则说明该区域内裂隙的发育不充分，介质的完整性高。

Claims (9)

1.一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过研究区域的地层综合柱状图，完善研究区域的地层信息，建立研究区域地层图；
S2、通过研究区域工作面的基本数据信息、研究区域的钻孔布置和钻孔工程信息，得到钻场的基本信息；
S3、根据研究区域地层图和钻场的基本信息确定研究区域的几何尺寸和其空间位置信息，得到研究区域的钻孔基本图；
S4、对得到的钻孔基本图进行统一坐标化处理，其相对坐标以钻孔圆心为原点建立；
S5、将钻孔基本图中的钻场的基本信息沿三维坐标系中的一个坐标轴进行离散化得到由离散点组成的包括空间坐标信息和非空间信息的空间数据体，并对采集的实测数据进行标准化处理；
S6、通过步骤S5空间坐标信息中的钻孔工程信息中包含的钻孔所经过地层信息所描述的地层在钻孔纵向上的分布，确定研究区域内地层分布及其之间的空间关系；
S7、将所得空间数据体中的空间坐标信息、实测数据按空间位置沿离散化时所选的坐标轴进行拆分，并对拆分的每个单元体进行编号，采用ansys中的四边形网格划分规则，对每个单元体进行网格划分；
对离散化时所选的坐标轴刨面的实测数据制定统一的标准进行预处理剔除异常数据；
S8、将实测数据中无数据为空点的地方，识别为裂隙，然后对为空点处进行标记，并对钻孔周围的贯通裂隙进行判定；
S9、将空间数据体中的空间坐标信息、实测数据按步骤S7中网格划分的情况，进行一对一的数据填充和赋值，得到不同的赋值之后的截面，对不同的赋值之后的截面，按照离散化时所选的坐标轴方向进行拼接；
S10、将实测数据沿z轴刨面的数据、沿y轴刨面的数据与沿x轴刨面的数据进行做差比对，当差为0时，即此处数据无问题，当差不为0时，采用线性拟合的方式和形态学算法对实测数据进行修正得到最终裂隙模型，对最终裂隙模型中的不同的赋值通过不同颜色表示，实现可视化；
S11、在最终裂隙模型中，计算的裂隙的裂隙宽度、裂隙长度、裂隙的最大扩展半径、裂隙倾角、裂隙的面积占比率、裂隙的体积占比率；
S12、对钻孔孔壁的完整度、裂隙的丰度进行评价。
2.根据权利要求1所述的一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，其特征在于，步骤S1中，研究区域的地层信息包括地层的几何信息和属性信息；
几何信息包括边界、钻孔孔壁、钻孔倾角、钻孔长度；所述边界为研究区域的最大范围；
属性信息包括地层岩性、厚度、颜色。
3.根据权利要求1所述的一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，其特征在于，步骤S2中，研究区域工作面的基本数据信息包括生产的阶段，年限，井下压力信息；
钻孔工程信息包括施工时所得到地面高程、钻孔编号、钻孔深度、钻孔长度、钻孔直径、钻孔倾角、钻孔所经过地层信息。
4.根据权利要求1所述的一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，其特征在于，步骤S5中，所述实测数据是通过微震监测、超声波或钻孔窥视采集得到的数据；
对实测数据进行标准化处理的过程为：将实测数据进行统一坐标化处理，将地理坐标转化为直角坐标。
5.根据权利要求1所述的一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，其特征在于，步骤S8中，在实测数据中某一空点周围无空点时，则断定这一空点的数据为正常空隙，而非裂隙；
钻孔周围的贯通裂隙判定的规则为：
Figure FDA0003119405060000021
其中，k为阀值系数，aij表示判定点的位置坐标，ai-1,j表示判定点周围坐标小于此点坐标的最近点坐标，ai+1,j表示判定点周围坐标大于此点坐标的最近点坐标。
6.根据权利要求1所述的一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，其特征在于，步骤S9中，赋值的规则由赋值函数f(y)表示：
Figure FDA0003119405060000031
其中：当f(y)＝0时表示此处有裂隙，无稳定结构；当f(y)＝1时，表示此处为钻孔孔壁完整结构。
7.根据权利要求1所述的一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，其特征在于，步骤S11中，裂隙宽度沿x轴、y轴、z轴三个方向的计算公式为：
dx＝|(xi,yi,zi)-(xi+1,yi,zi)|；
dy＝|(xi,yi,zi)-(xi,yi+1,zi)|；
dz＝|(xi,yi,zi)-(xi,yi,zi+1)|；
其中：(xi,yi,zi)、(xi+1,yi,zi)、(xi,yi+1,zi)、(xi,yi,zi+1)表示裂隙边界的位置坐标；
裂隙的最大扩展半径的计算公式为：
Figure FDA0003119405060000032
其中，(xj,yi,zj)表示y坐标为yi时裂隙数据最边界坐标，(0,yi,0)表示y坐标为yi时的坐标中心坐标；
裂隙长度的计算公式为：
L＝||(x1,y1,z1)-(x2,y2,z2)||；
其中，(x1,y1,z1)表示裂隙数据中坐标最小点坐标，(x2,y2,z2)表示裂隙数据中坐标最大点坐标；
裂隙的面积占比率计算公式为：
Figure FDA0003119405060000033
其中，S裂隙表示裂隙在钻孔孔壁上所占面积，S表示钻孔孔壁的截面面积；
裂隙的体积占比率计算公式为：
Figure FDA0003119405060000041
其中，V裂隙表示裂隙所占体积，V表示研究区域的总体积。
8.根据权利要求7所述的一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，其特征在于，步骤S11中，计算裂隙倾角时，首先对整个裂隙平面进行拟合，找到拟合程度最高的两个平面，然后再按两平面的夹角公式进行计算，得到裂隙倾角。
9.根据权利要求1所述的一种钻孔裂隙可视化系统的设计方法，其特征在于，步骤S12中，
钻孔孔壁的完整度通过岩体完整性指数RMDI进行评价：
Figure FDA0003119405060000042
其中，f(y)表示赋值函数；
当RMDI≥RMDImax，钻孔孔壁不完整；
当
Figure FDA0003119405060000043
钻孔孔壁较差；
当
Figure FDA0003119405060000044
钻孔孔壁中等；
当
Figure FDA0003119405060000045
钻孔孔壁良好
当
Figure FDA0003119405060000046
钻孔孔壁完整；
其中，RMDImax表示岩体完整性指数的最大值；
裂隙的丰度的评价指标为：
Figure FDA0003119405060000047
其中，P表示研究区域裂隙的丰度。
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